微型材料力学试验机设计与大学生科技创新训练

顾爱军 杨小令 梁金栋

摘要：针对材料力学实验与理论教学难以同步的问题，设计一种微型可携带式试验机进行课堂同步演示。因试验机的研制过程与材料力学知识密切相关，故将之作为材料力学课程的研究性学习内容，并以此为课题开展大学生科技创新训练活动。学生在活动中进一步强化了所学力学知识，锻炼了创新和动手能力。这种学生参与的课程教改模式对类似工科课程具有借鉴意义。

关键词：材料力学实验；试验机；设计；科技创新

中圖分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）24-0263-02

一、绪言

材料力学是工科专业中一门重要的专业基础课，材料力学实验作为其理论形成和发展的基础是其不可或缺的部分。[1]万能材料试验机广泛应用于材料力学性能试验、科学研究及教学演示。在工科各专业的材料力学课程教学中，由于学生数量较多而试验机资源较少，需分组实验，普遍存在实验相对理论教学滞后的现象，造成实验与理论教学脱节。为解决这一矛盾，需将材料力学实验带进课堂进行随堂演示。因此需要一种便携式的万能材料试验机。

现有万能材料试验机根据测试对象的要求可分为不同吨位，其尺寸和重量也有较大差距。用于材料力学课堂演示的小型试验机往往为实现多功能而具有较大尺寸和重量，不利于携带。为此需设计一种更加便携的微型试验机。

微型试验机的设计并不困难，但也绝非大型试验机的简单缩小，其整体及各部件需根据功能、尺寸与重量的限制以及操作便捷性等进行规划和设计，其中用到很多力学知识，是很好的研究性学习和大学生科技创新素材。因此，在材料力学学习班级中开展了以此为基础的研究性学习活动，并成立科创小组进行了科技创新训练计划的申报，获得学校的支持。

二、微型万能试验机的总体构想

与传统电子试验机相比，微型万能试验机的最大特点就是“微”，即把仪器的体积和重量缩小到可方便携带的地步，且体积的减小也降低了材料成本。其次，试验机也要保证一定的精度，使之不但拥有课堂演示功能，也具有小量程的材料力学性能测试功能。

可见整体重量成为试验机大小的决定因素。但仅靠重量这一参数并不能简单地反推出各部分尺寸，需要反复计算和调整。这一问题专门由一个小组进行研究，其中需要运用强度、刚度和稳定性等材料力学知识。计算确定了最大试验荷载及加载量程之后，再以此参数为依据进行试件、夹具、加载装置设计以及测量系统选择等。整个试验机的设计很好地体现了材料力学的设计思想，即从安全和经济这一对矛盾的两方面对构件进行设计，综合考虑形状、尺寸、材料等因素，最终达到具有预期功能的轻便、便宜的产品。其设计思路见图1。此外，为便于课堂演示，在试件附近位置设计了一只摄像头，使试件变化的细节部分能够通过电脑和投影仪放大展示。

三、试验机设计中的研究性问题

根据第一小组提供的思路及荷载、量程等参数，对各部分进行具体设计。首先根据量程及最大荷载确定塑性材料试件，使之能反映典型的塑性材料性质。试件的选择看似简单，实际需要对各种常见材料进行研究，了解其机械性能，并根据其破坏荷载计算相应尺寸，必要时可对试验机尺寸进行修改。根据上述荷载和量程的限制，备选试件主要有细钢丝、铅丝等。为便于观察试件的变形规律，最终选择4mm铅丝作为塑性材料试件。脆性材料所需荷载较小，设计时不必考虑。

试件确定后可根据破坏荷载对加载架进行进一步验算或优化，反之，若试件需要更大的荷载也可适当增加刚架尺寸，使两者的矛盾达到一个合理的平衡。这无疑是一个综合性问题，可以锻炼学生解决综合问题的能力。

夹具是试验机中的一个重要部件，应根据需要的加载量，结合试件的尺寸和材料特性进行设计。在此之前，需要对种类繁多的各种试验机夹具进行调研，并根据此处的需求进行设计，或对现有夹具进行合理的改进。

下一步是加载系统。既然是便携式，则尽可能采用手动加载方式。手动加载试验机已有部分产品，可作为设计参考。已有的加载系统均仅有一种传动模式，在需要快速移动活动平台时仍只能按照加载方式缓慢移动，无法实现“移动快速，加载慢速”的双速要求。为此采用一种双齿轮传动机构（图2），可实现活动平台的双速升降。当需要快速升降平台时转动大齿轮，节省时间，需加载时转动小齿轮，提高加载平稳度。这一设计成为本试验机的一大特色。

接下来就是对初步形成的拉伸试验机进行改进，使之具有压缩、弯曲、压杆稳定等多种实验功能。这一工作具有一定的创造性，对于学生的创新能力培养很有帮助。总体思路一是对部分构件采用易拆式安装，二是通过上、下夹头的简单改造实现压杆稳定实验的固定端和铰支端约束。

测量系统包括力、位移的测试和显示。由于涉及到跨学科的电子、自动控制、传感器等知识，未在本课程中作为研究性课题，而是直接选用现有产品。由于力与位移的测试方法很多，因此这一工作也由学生通过调研完成。

四、结语

在“双一流”高校建设的新形势下，努力培养学生的创新意识和工程意识，让学生积极主动地学习，将抽象的概念与多样的实验融会贯通成为课程建设的基本要求[2]，教师在教育改革的探索中应因地制宜，让学生积极参与到合适的研究中。实践表明，无论是研究性学习还是科技创新训练，均对提高教学效果，培养学生创新能力、科学素养和工程实践能力起到了积极的推进作用。

参考文献：

[1]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2009：1.

[2]金立强，李书卉，李达，等.基础力学实验教学体系的改革与探索[J].实验室科学，2017，20（04）：143-146.